CN111509316B - 一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法，通过多能量船舶建模，特别是与锂电池组的控制和安全操作有关的问题，提供了锂电池组的能量管理策略。具体方案是：采集系统电池组的剩余容量(SOC)、推进电流和船速等数据，通过能量守恒理论建立船舶航行里程和SOC模型，根据全电动船舶航行的锂电池实际数据获得锂电池老化模型，并基于锂电池组老化模型提出了基于循环寿命的船用锂电池组能量管理策略。该策略使用逻辑阈值优化算法来降低锂电池组容量损失的老化速率。本发明通过对两组磷酸铁锂电池输出的能量进行合理分配，有效提升了全电船的性能，从而降低磷酸铁锂电池组的容量损失提高锂电池组循环寿命。

Description

一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法

技术领域

本发明涉及多能源船舶建模领域，一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法。

背景技术

随着世界经济的飞速发展，国际海上运输承担着全球90％以上的贸易量，但传统船舶十分依赖柴油等不可再生资源，使能源枯竭，资源短缺,并且船舶航行过程中产生的尾气对环境造成了严重的污染船舶排放的废气及噪声已成为环境污染不可忽视的问题。因此国际上已有许多国家制定法规开始限制船舶的废气排放量。我国也出台了《长江经济带船舶污染防治专项行动方案(2018-2020)》、《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》等一系类规章制度。因此设计和建造具有低能耗、低排放特点的新型绿色船舶俨然已经成为造船和航运业发展的主要趋势，其中采用锂电池组的纯电动船舶，因为具有零排放、零污染等优点被视作未来船舶的发展的重要方向，前景被广泛看好。但目前纯电动船的技术尚未完全成熟，其中一个主要的难点就是电池的使用寿命短，电池的更换带来巨大的经济损失。提高电池组的循环寿命成为全电动船未来发展的一个热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法，有利于提高锂电池的循环寿命。

本发明采用以下方案实现：一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法，包括以下步骤：

步骤S1：采集船舶系统电池组的剩余容量(SOC)，锂电池组输出电流、温度和船速，通过能量守恒理论建立船舶航行里程和SOC模型；

步骤S2：根据全电动船舶航行的锂电池实际数据获得锂电池老化模型；基于锂电池组老化模型使用逻辑阈值优化算法用以降低锂电池组容量损失的老化速率。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：确定船螺旋桨的推力与转矩关系,螺旋桨和船体在航行中相互影响，螺旋桨与水流的相对速度并不等于船体速度，两者综合获得船舶在水中实际航行速度；

式中：D为螺旋桨直径；J为进速比；ω为船在水中的伴流速度，取值范围0.1-0.18；n为螺旋桨的转速；v_S为船体的航行速度；M为螺旋桨转矩；k_m为螺旋桨的扭矩系数；k_p为螺旋桨的推力系数；T为螺旋桨的推力；

步骤S12：推进电机的功率为：

式中：P为推进电机的功率；k_c为推进电机和桨扭矩的传送比；n_e为电机的转速；

步骤S13：桨船舶航行时运动方程为：

步骤S14：进行锂电池消耗能量和船舶消耗能量估算：

ΔE₁＝UIt＝UQ_bat(1-SOC_t) (6)

式中，SOC为锂电池剩余电量；n_e为电机转速；U为锂电池的额定电压；Q_bat为锂电池总容量；t为到达目的地时间；

步骤S15：假设船舶航行过程中，电池输出的能量全部转化为船舶航行的能量，无其他能量消耗；即△E1＝△E2,联立得到：

步骤S16：锂电池的SOC_t与里程S建模,由(4)、(5)和(8)得到SOC_t和路程S之间的关系，即

式中，v₀为船航行的初始速度；s为船航行总里程；

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：通过锂电池的老化公式(10)预测电池的循环寿命；通过SOC,Ic,θ,Ah,这四个数据进行预测容量损失，当电池组容量损失占总容量的20％时电池报废，电池组的循环寿命结束；

式中，I_c为电池放电倍率；Ah累计放电的电流量；Q_loss为电池组的损失容量；θ为电池内部温度；E_a为电池内部电势能；R_g为气体常数；α、β、η为模型参数；z为幂率指数；加入船舶实际测得锂电池组数据SOC＝69.2％，I_c＝6A、θ＝45℃；模型中电池固定参数值E_t＝31500、R_g＝8.314、η＝370.3，用MATLAB非线性识别工具箱通过最小化总误差辨识参数获得锂电池组的模型；分两步辨识，先通过参数辨识得到σ_funct和z的值，然后将σ_funct代入原式子中得到α、β的值；最终得到α＝2981.6，β＝7411.8，z＝0.6；

步骤S22：根据预测的电池循环寿命获得老化严重因子σ_map，老化严重因子σ_map用以表征电池组容量衰减快慢；

步骤S23：采用两组磷酸铁锂电池作为电力存储装置，利用锂电池组的σ_map、n、

5个阈值判断两电池组的通断时序。

进一步地，所述步骤S22具体包括以下步骤：

步骤S221：设定当电池组损失的容量为初始容量的20％时，即Q_loss＝20％电池组循环寿命结束；

20＝σ_funct(I_c,nom,θ_nom,SOC_nom)·Γ^z (11)

步骤S222：求最大电池组寿命г和当前电池组寿命γ，г即设定电池组生产商实验室测试循环寿命总放电时间为锂电池组最大寿命；γ即在船舶航行过程中电池组的总时间；

步骤S223：计算老化严重性因子σ_map，即最大电池寿命与当前电池组寿命的比值；

步骤S224：老化严重性因子σ_map主要由电流，SOC和温度影响，求每个影响因子对老化严重性因子σ_map的偏导数；

式中，

是soc对老化严重性因子σ_map的影响大小；

是I_c严重性因子σ_map的影响大小；

是θ对老化严重性因子σ_map的影响大小；SOC为电池剩余电量；SOC_t为锂电池t时刻剩余电量。

进一步地，所述步骤S23具体包括以下步骤：

步骤S231：判断σ_map大小；老化严重因子的大小能直接反应当前锂电池使用的健康情况，当锂电池的温度、SOC和放电倍率使用情况逐渐变得不利于锂电池的寿命时候，选择切换锂电池组，让锂电池的老化速率在相对较低的情况下，最终延长锂电池的整体寿命；

当σ_map<3时,不切换电池组，直接继续航行；

当σ_map>＝3时，进行S232判断；

步骤S232：判断n的大小；将航行的里程分成两个部分进行控制，当里程剩下100米和航行中将进行不同的断控制策略；

当n<100时,进行S233判断；

当n>＝100时,进行S235判断；

步骤S233：进行SOC_t与20大小判断；当剩余里程在100以内，表明船舶开始停靠了，判断一下SOC_t是否到达SOC的下限；

当SOC_t<＝10时,进行S234判断；

当SOC_t>10时,不切换电池组，降低放电倍率，直接继续航行；

步骤S234：判断n的大小；当达SOC_t到下限的时候，若船已经开始靠岸，则不切换锂电池组，切换电池组对船舶器械和锂电池组本身也是有一定伤害，若是已经开始靠岸则SOC_t的消耗量不多，所以切换至第二组电池；

当n<10，不切换；

当n>＝10，切换至第二组锂电池组；

步骤S235：判断

的大小，对σ_map求关于温度θ的偏导数；当

时，表示锂电池温度过高，已经导致锂电池老化速度加快了；

当

进行S236判断；

当

切换至第二组锂电池组；

步骤S236：判断

的大小，对σ_map求关于I_c的偏导数，当

时，表示锂电池组的放电倍率过高，已经导致锂电池的老化速率增加了；

当

进行S237判断；

当

进行S238判断；

步骤S237：判断t与t_max的大小；若是船能在预定的最大到达时间内到达目的地，则降低锂电池的放电倍率，若不能在预定的最大到达时间内到达则切换电池组以当前速率继续前行；

当t<t_max，减小锂电池组输出电流大小，不切换；

当t>＝t_max，切换至第二组锂电池组；

步骤S238：判断

的大小；对σ_map求关于SOC_t的偏导数，当

时，表示锂电池组的剩余电量过低，已经导致锂电池的老化速率增加了；

当

时，进行S239判断；

当

时,进行S2312判断；

步骤S239：判断SOC_x与0.8*SOC₂的大小，若SOC_x<＝0.8*SOC₂时，表明第二组锂电池的SOC₂满足剩下里程所需要的SOC_x，直接切换至第二组锂电池；若SOC_x>0.8*SOC₂时，表明第二组锂电池的SOC₂不足以完成剩下航程；

其中，SOC_x为预测电池完成里程所需要的电池容量；

SOC₁,SOC₂是实际船舶航行的锂电池组的剩余；

当SOC＜0.8*SOC₂，切换至第二组锂电池组；

当SOC＞＝0.8*SOC₂，进行S2310判断；

步骤S2310：判断j的大小；当第一组锂电池老化速率增加，第二组锂电池又无法完成剩下航程时。j＝0表示第一次出现这种情况，可以通过减小锂电池组输出电流，降低第一组锂电池的老化速率。当j>＝1时表明不止一次出现这种情况。

当j<1，j＝j+1，减小锂电池组输出电流大小，不切换；

当j>＝1，进行SS11判断；

步骤S2311：判断SOC1与0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)的大小；当不止一次出现第一组锂电池老化速率增加，第二组锂电池又无法完成剩下航程的情况时，进行估计剩余路程所需要的SOCx,平均分配给SOC1与SOC2；使第一组锂电池与第二组锂电池的放电深度一样；

当SOC1<＝0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)，切换至第二组锂电池组；

当SOC1>0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)，返回步骤S231；

步骤S2312：判断i的大小；i表示累计次数,表示是否在船舶航行中的锂电池故障，当测得超过三次则需要进行锂电池组健康诊断；当温度，放电倍率和SOC的影响均未出现严重影响锂电池组的正常使用，则有两种可能性，第一种是三者都是达到范围内的值，导致严重因子σ_map整体上提高了，第二种是可能船舶在航行过程中，能量管理系统出现错误；两种情况统一进行判断，当能量管理出现三次这种情况则变换锂电池组；

当i<3时，i＝i+1,返回步骤S231；

当i>＝3，切换至第二组锂电池组，记录。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对两组磷酸铁锂电池输出的能量进行合理分配，有效提升了全电船的性能，从而降低磷酸铁锂电池组的容量损失提高锂电池组循环寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的无人船总体结构图，其中，1为全电船推进器的驱动系统、2为全电船的能量管理控制系统、3为电力存储装置、4为速度采集系统、5为推进器。

图2为本发明实施例的两组磷酸铁锂电池间转换电路图。

图3为本发明实施例的船舶启动初始化流程图。

图4为本发明实施例的锂电池组切换策略流程图。

图5为本发明实施例的能量管理系统结构状态图。

图6为本发明实施例的锂电池加入控制策略后容量衰减过程对比图；

其中，图6(a)为简单充放电管理策略的锂电池组容量损失图；图6(b)为图为添加能量管理策略的容量损失图。

图7为本发明实施例的续航里程消耗能量模型流程图。

图8为本发明实施例的螺旋桨淌水特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例的无人船所形成的中空腔室内安装全电船推进器的驱动系统1、全电船的能量管理控制系统2、电力存储装置3、速度采集系统4、推进器5等。所述推进器的驱动系统1与安装在船尾的推进器5连接，以对船体产生行进的推力。能量管理控制系统2分别与推进器的驱动系统1、电力存储装置3和速度采集系统4连接，根据反馈回来的信息对进行电力存储装置3内的锂电池组间进行切换或改变输出电流大小，电力存储装置3与推进器的驱动系统1连接，为全电船提供能量。本实施例在船尾安装推进器5采用一个Z轴螺旋桨推进器，通过Z轴旋转以便于控制船体改变航向。本实施例优选采用永磁同步电机作为推进器的驱动系统1，驱动Z轴螺旋桨转动。为了驱动永磁同步电机运行，满足电动无人船的高能量密度和高功率密度的需求，本实施例采用两组磷酸铁锂电池组成全电船的电力存储系统，为全电船中的用电负载供电。

本实施例提供一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法，包括以下步骤：

步骤S1：采集船舶系统电池组的剩余容量(SOC)、锂电池组输出电流、温度和船速，通过能量守恒理论建立船舶航行里程和SOC模型；

步骤S2：根据全电动船舶航行的锂电池实际数据获得锂电池老化模型；基于锂电池组老化模型使用逻辑阈值优化算法用以降低锂电池组容量损失的老化速率。

本实施例确定了船舶航行里程与电池剩余容量(SOC)之间的关系，即在船舶航行过程中，根据能量守恒，忽略船舶在航行过程中的其他损耗，假设锂电池输出电能和船舶航行里程消耗的能量相等。建立船舶航行里程和SOC模型的建模流程图7。所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：确定船螺旋桨的推力与转矩关系,螺旋桨和船体在航行中相互影响，螺旋桨与水流的相对速度并不等于船体速度，两者综合获得船舶在水中实际航行速度；其中公式(2)中的k_p与k_m根据进速比J和图8中的螺旋桨淌水特性曲线获得；

式中：D为螺旋桨直径；J为进速比；ω为船在水中的伴流速度，取值范围0.1-0.18；n为螺旋桨的转速；v_S为船体的航行速度；M为螺旋桨转矩；k_m为螺旋桨的扭矩系数；k_p为螺旋桨的推力系数；T为螺旋桨的推力；

步骤S12：推进电机的功率为：

式中：P为推进电机的功率；k_c为推进电机和桨扭矩的传送比；n_e为电机的转速；

步骤S13：桨船舶航行时运动方程为：

式中：k_r为船体航行的阻力系数；k_t为电机推力和螺旋桨推力的传送比；m为船舶的质量；

步骤S14：进行锂电池消耗能量和船舶消耗能量估算：

ΔE₁＝UIt＝UQ_bat(1-SOC_t) (6)

步骤S15：假设船舶航行过程中，电池输出的能量全部转化为船舶航行的能量，无其他能量消耗；即△E1＝△E2,联立得到：

步骤S16：锂电池的SOC_t与里程S建模,由(4)、(5)和(8)得到SOC_t和路程S之间的关系，即

式中，v₀为船航行的初始速度；s为船航行总里程。

本实施例通过锂电池的老化公式预测电池的循环寿命，再根据预测的电池循环寿命获得老化严重因子，老化严重因子σ_map表征电池组容量衰减快慢，将老化严重因子作为逻辑门限算法的阈值进行电池组能量管理的控制策略。电池的老化可以采用容量、功率及阻抗三个特征量来表征，本实施例采用容量表征。当采用容量损失到原来的80％时，视为电池组报废。而导致容量衰减的因素有温度、电池剩余容量、放电电流等因素。在这些因素的共同作用下，随着电池组充放电过程，锂电池的正极SEI膜电解质液体分解产生反应物质的沉积而变厚，导致锂电池中活性Li损失。而且电池内部结构也将受到破坏。老化副反应是不可逆的，所以只有能通过降低老化反应速率以提高锂电池的循环寿命。具体步骤如下：本实施例借鉴JohnWang提出的LiFePO₄电池的半生命模型得到容量损失模型，锂电池的老化公式是通过研究影响锂电池老化的因素及原理，进行实验得到锂电池老化公式及老化严重性公式。

在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：通过锂电池的老化公式预测电池的循环寿命；通过SOC,Ic,θ,Ah,这四个数据进行预测容量损失，当电池组容量损失占总容量的20％时电池报废，电池组的循环寿命结束；

式中，I_c为电池放电倍率；Ah累计放电的电流量；Q_loss为电池组的损失容量；θ为电池内部温度；E_a为电池内部电势能；R_g为气体常数；α、β、η为模型参数；z为幂率指数；

在本实施例中，加入船舶实际测得锂电池组数据SOC＝69.2％，I_c＝6A、θ＝45℃；模型中电池固定参数值E_a＝31500、R_g＝8.314、η＝370.3，用MATLAB非线性识别工具箱通过最小化总误差辨识参数获得锂电池组的老化模型；分两步辨识，先通过参数辨识得到σ_funct和z的值，然后将σ_funct代入公式(10)中得到α、β的值；最终得到α＝2981.6，β＝7411.8，z＝0.6；

步骤S22：根据预测的电池循环寿命获得老化严重因子σ_map，老化严重因子σ_map用以表征电池组容量衰减快慢；

求解老化严重因子σ_map。σ_map判断当前时刻磷酸铁锂电池组的老化速率严重程度的一个量，它主要是由温度、电池剩余容量和放电倍率所共同决定的。在电池组充放电过程中，老化严重因子相对于老化速率表征电池组的容量损失快慢消除了累积时间的影响。

步骤S23：采用两组磷酸铁锂电池作为电力存储装置，利用锂电池组的σ_map、n、

5个阈值判断两电池组的通断时序；

通断时序根据能量管理系统输出PWM信号控制两组磷酸铁锂电池执行能量分配。利用永磁同步电机驱动全电船的推进器运行，当永磁同步电机在启动时，控制连接第一组磷酸铁锂电池正极的第一开关保持常开状态，输出直流电能；并控制第一组磷酸铁锂电池的第二开关保持常关状态。在永磁同步电机运行时，根据能量管理系统输出PWM信号,通过改变PWM信号的占空比来调节所述第一开关和第二开关的通断时序，进行两组磷酸铁锂电池组交替使用。本实施例通过对两组磷酸铁锂电池输出的能量进行合理分配，有效提升了全电船的性能，从而降低磷酸铁锂电池组的容量损失提高锂电池组循环寿命。

在本实施例中，所述步骤S22具体包括以下步骤：

步骤S221：设定当电池组损失的容量为初始容量的20％时，即Q_loss＝20％电池组循环寿命结束；

20＝σ_funct(I_c,nom,θ_nom,SOC_nom)·Γ^z (11)

步骤S222：求最大电池组寿命г和当前电池组寿命γ，г即设定电池组生产商实验室测试循环寿命总放电时间为锂电池组最大寿命；γ即在船舶航行过程中电池组的总时间；

步骤S223：计算老化严重性因子σ_map，即最大电池寿命与当前电池组寿命的比值；

步骤S224：老化严重性因子σ_map主要由电流，SOC和温度影响，求每个影响因子对老化严重性因子σ_map的偏导数；

式中，

是soc对老化严重性因子σ_map的影响大小；

是I_c严重性因子σ_map的影响大小；

是θ对老化严重性因子σ_map的影响大小；SOC为电池剩余电量；SOC_t为锂电池t时刻剩余电量。

在本实施例中，所述步骤S23具体包括以下步骤：

步骤S231：判断σ_map大小；老化严重因子的大小能直接反应当前锂电池使用的健康情况，当锂电池的温度、SOC和放电倍率使用情况逐渐变得不利于锂电池的寿命时候，选择切换锂电池组，让锂电池的老化速率在相对较低的情况下，最终延长锂电池的整体寿命；

当σ_map<3时,不切换电池组，直接继续航行；

当σ_map>＝3时，进行S232判断；

步骤S232：判断n的大小；将航行的里程分成两个部分进行控制，当里程剩下100米和航行中将进行不同的断控制策略；

当n<100时,进行S233判断；

当n>＝100时,进行S235判断；

步骤S233：进行SOC_t与20大小判断；当剩余里程在100以内，表明船舶开始停靠了，判断一下SOC_t是否到达SOC的下限；

当SOC_t<＝10时,进行S234判断；

当SOC_t>10时,不切换电池组，降低放电倍率，直接继续航行；

步骤S234：判断n的大小；当达SOC_t到下限的时候，若船已经开始靠岸，则不切换锂电池组，切换电池组对船舶器械和锂电池组本身也是有一定伤害，若是已经开始靠岸则SOC_t的消耗量不多，所以切换至第二组电池；

当n<10，不切换；

当n>＝10，切换至第二组锂电池组；

步骤S235：判断

的大小，对σ_map求关于温度θ的偏导数；当

时，表示锂电池温度过高，已经导致锂电池老化速度加快了；

当

进行S236判断；

当

切换至第二组锂电池组；

步骤S236：判断

的大小，对σ_map求关于I_c的偏导数，当

时，表示锂电池组的放电倍率过高，已经导致锂电池的老化速率增加了；

当

进行S237判断；

当

进行S238判断；

步骤S237：判断t与t_max的大小；若是船能在预定的最大到达时间内到达目的地，则降低锂电池的放电倍率，若不能在预定的最大到达时间内到达则切换电池组以当前速率继续前行；

当t<t_max，减小锂电池组输出电流大小，不切换；

当t>＝t_max，切换至第二组锂电池组；

步骤S238：判断

的大小；对σ_map求关于SOC_t的偏导数，当

时，表示锂电池组的剩余电量过低，已经导致锂电池的老化速率增加了；

当

时，进行S239判断；

当

时,进行S2312判断；

步骤S239：判断SOC_x与0.8*SOC₂的大小，若SOC_x<＝0.8*SOC₂时，表明第二组锂电池的SOC₂满足剩下里程所需要的SOC_x，直接切换至第二组锂电池；若SOC_x>0.8*SOC₂时，表明第二组锂电池的SOC₂不足以完成剩下航程；

其中，SOC_x为预测电池完成里程所需要的电池容量；

SOC₁,SOC₂是实际船舶航行的锂电池组的剩余；

当SOC＜0.8*SOC₂，切换至第二组锂电池组；

当SOC＞＝0.8*SOC₂，进行S2310判断；

步骤S2310：判断j的大小；当第一组锂电池老化速率增加，第二组锂电池又无法完成剩下航程时。j＝0表示第一次出现这种情况，可以通过减小锂电池组输出电流，降低第一组锂电池的老化速率。当j>＝1时表明不止一次出现这种情况。

当j<1，j＝j+1，减小锂电池组输出电流大小，不切换；

当j>＝1，进行SS11判断；

步骤S2311：判断SOC1与0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)的大小；当不止一次出现第一组锂电池老化速率增加，第二组锂电池又无法完成剩下航程的情况时，进行估计剩余路程所需要的SOCx,平均分配给SOC1与SOC2；使第一组锂电池与第二组锂电池的放电深度一样；

当SOC1<＝0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)，切换至第二组锂电池组；

当SOC1>0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)，返回步骤S231；

步骤S2312：判断i的大小；i表示累计次数,表示是否在船舶航行中的锂电池故障，当测得超过三次则需要进行锂电池组健康诊断；当温度，放电倍率和SOC的影响均未出现严重影响锂电池组的正常使用，则有两种可能性，第一种是三者都是达到范围内的值，导致严重因子σ_map整体上提高了，第二种是可能船舶在航行过程中，能量管理系统出现错误；两种情况统一进行判断，当能量管理出现三次这种情况则变换锂电池组；

当i<3时，i＝i+1,返回步骤S231；

当i>＝3，切换至第二组锂电池组，记录。

较佳的，对本实施例的全电船的能量管理系统的电路结构进行具体阐述。如图2所示，为了对第一电池组电池组1和第二电池组电池组2输出的能量进行合理分配，以满足永磁同步电机M的能量需求，提高全电动船的电池循环寿命，本实施例在第一电池组电池组的正极串联第一开关T1，在第二电池组电池组的正极串联第二开关T2，通过改变第一开关T1和第二开关T2的通断时序，以调节第一电池组电池组和第二电池组电池组的输出能量，实现能量的合理化利用。图2中，IGBT模块的mos管配合其反向并联的二极管连接形成变流电路，用于实现电路电流的整流和逆变。将所述变流电路的直流侧连接至无人船的电力存储系统，例如通过第一开关T1连通电池组1的正极，并通过第二开关T2连接电池组2的正极，传输直流电源；将变流电路的交流侧连接至永磁同步电机M的电源端子，传输三相交流电源。在永磁同步电机M需要交流供电时，变流电路作为逆变器，将第一电池组电池组和第二电池组电池组的直流电源逆变成交流电源，为永磁同步电机M供电。第一开关T1和第二开关T2的通断时序实现了第一电池组电池组1和第二电池组电池组2的轮流切换。

结合图3的船舶启动初始化流程图，在船舶启动前，首先输入到达的目的地和时间，然后预测锂电池的使用。在船舶航行期间，能源管理系统会根据锂电池组的老化严重因子，剩余里程所需的功率以及每1分钟航行所需的时间判断是否进行切换锂电池组或改变放电电流大小，最终提高锂电池循环寿命。

结合图4锂电池组切换策略流程图，能量管理系统的控制策略是用σ_map，n，

阈值执行锂电池组切换策略控制。首先判断σ_map大小，老化严重因子的大小能直接反应当前锂电池组使用的健康情况，当锂电池组的温度、SOC_t和放电倍率使用情况逐渐变得不利于锂电池组的寿命时候，选择切换锂电池组，让锂电池组的老化速率在相对较低的情况下。最终延长锂电池组的整体寿命。

S1:在船舶启动前，先向能量管理系统输入目的地和需要到达的时间，预判本次航行锂电池SOC_x的使用情况。

S2:在船舶航行过程中，每1分钟判断一次锂电池组的老化严重因子和剩余里程所需要的SOC_x，航行所需要时间t。

S3:计算锂电池组的老化严重因子σ_map，及剩下里程距离n。

S4:根据逻辑门限算法，以σ_map、n、

为阀值，进行锂电池组切换策略控制。

SS1:判断σ_map大小；老化严重因子的大小能直接反应当前锂电池使用的健康情况，当锂电池的温度、SOC和放电倍率使用情况逐渐变得不利于锂电池的寿命时候，选择切换锂电池组，让锂电池的老化速率在相对较低的情况下。最终延长锂电池的整体寿命。

当σ_map<3时,不切换电池组，直接继续航行；

当σ_map>＝3时，进行SS2判断；

SS2:判断n的大小；将航行的里程分成两个部分进行控制，当里程剩下100米和航行中将进行不同的断控制策略。

当n<100时,进行SS3判断；

当n>＝100时,进行SS5判断；

SS3:进行SOC_t与20大小判断；当剩余里程在100以内，表明船舶开始停靠了。判断一下SOC_t是否到达SOC的下限。

当SOC_t<＝10时,进行SS4判断；

当SOC_t>10时,不切换电池组，降低放电倍率，直接继续航行；

SS4：判断n的大小；当达SOC_t到下限的时候，若船已经开始靠岸，则不切换锂电池组，切换电池组对船舶器械和锂电池组本身也是有一定伤害，若是已经开始靠岸则SOC_t的消耗量不多，所以相对切换至第二组电池更加合理。

当n<10，不切换；

当n>＝10，切换至第二组锂电池组；

SS5：判断

的大小，对σ_map求关于温度θ的偏导数。当

时，表示锂电池温度过高，已经导致锂电池老化速度加快了。

当

进行SS6判断；

当

切换至第二组锂电池组；

SS6：判断

的大小，对σ_map求关于I_c的偏导数，当

时，表示锂电池组的放电倍率过高，已经导致锂电池的老化速率增加了。

当

进行SS7判断；

当

进行SS8判断；

SS7：判断t与t_max的大小；若是船能在预定的最大到达时间内到达目的地，则降低锂电池的放电倍率，若不能在预定的最大到达时间内到达则切换电池组以当前速率继续前行。

当t<t_max，减小锂电池组输出电流大小，不切换；

当t>＝t_max，切换至第二组锂电池组；

SS8：判断

的大小；对σ_map求关于SOC_t的偏导数，当

时，表示锂电池组的剩余电量过低，已经导致锂电池的老化速率增加了。

当

时，进行SS9判断；

当

时,进行SS12判断；

SS9：判断SOC_x与0.8*SOC₂的大小，若SOC_x<＝0.8*SOC₂时，表明第二组锂电池的SOC₂满足剩下里程所需要的SOC_x，可直接切换至第二组锂电池。若SOC_x>0.8*SOC₂时，表明第二组锂电池的SOC₂不足以完成剩下航程。

当SOC＜0.8*SOC₂，切换至第二组锂电池组；

当SOC＞＝0.8*SOC₂，进行SS10判断；

SS10：判断j的大小；当第一组锂电池老化速率增加，第二组锂电池又无法完成剩下航程时。j＝0表示第一次出现这种情况，可以通过减小锂电池组输出电流，降低第一组锂电池的老化速率。当j>＝1时表明不止一次出现这种情况。

当j<1，j＝j+1，减小锂电池组输出电流大小，不切换；

当j>＝1，进行SS11判断；

SS11：判断SOC1与0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)的大小；当不止一次出现第一组锂电池老化速率增加，第二组锂电池又无法完成剩下航程的情况时，进行估计剩余路程所需要的SOCx,平均分配给SOC1与SOC2。使第一组锂电池与第二组锂电池的放电深度一样。

当SOC1<＝0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)，切换至第二组锂电池组；

当SOC1>0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)，返回；

SS12：判断i的大小；当温度，放电倍率和SOC的影响均未出现严重影响锂电池组的正常使用，则可能有两种可能性，第一种是三者都是达到范围内的值，导致严重因子σ_map整体上提高了，第二种是可能船舶在航行过程中，能量管理系统出现错误。两种情况统一进行判断，当能量管理出现三次这种情况则变换锂电池组。

当i<3时，i＝i+1,返回；

当i>＝3，切换至第二组锂电池组，记录；

结合图5，本发明包括电池组、能量管理系统、船舶动力系统。电池组，将电池剩余容量、电流、温度等信息发送给能量管理系统，并向总控显示容量损失大小；能量管理系统，根据距离目的地里程、到达时间、电池组和船舶动力系统反馈的信息决定如何分配电池组供电以及输出能量调整船舶速度，将控制信号发送给船舶动力系统；船舶动力系统，船舶动力系统包括各种子模块，例如发动机，电池老化模型，螺旋桨等，根据能量管理系统的控制信号，改变船舶航行速度和是否切换电池组供电；

结合图6，对比船舶有能量管理策略的锂电池组和只有简单充放电管理策略的锂电池组容量衰减情况，如图6所示，两组相同型号的锂电池组的初始容量相同为175AH。图6(a)为只有简单充放电管理策略的锂电池组容量损失图；当容量损失为15％时，航行约为800次，第二块锂电池航行约为1000次。图6(b)为添加能量管理策略的容量损失图；当添加到控制策略中的第一组锂电池的容量损失为15％时，航行约1000次，第二组航行约1200次。可以得出基于里程数的锂电池组能量转换策略的结论。基于循环寿命的船用锂电池组能量管理策略有利于磷酸铁锂电池组提高循环寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：采集船舶系统电池组的剩余容量SOC、锂电池组输出电流、温度和船速，通过能量守恒理论建立船舶航行里程和SOC模型；

步骤S2：根据全电动船舶航行的锂电池实际数据获得锂电池老化模型；基于锂电池组老化模型使用逻辑阈值优化算法用以降低锂电池组容量损失的老化速率；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：确定船螺旋桨的推力与转矩关系,螺旋桨和船体在航行中相互影响，螺旋桨与水流的相对速度并不等于船体速度，两者综合获得船舶在水中实际航行速度；

式中：D为螺旋桨直径；J为进速比；ω为船在水中的伴流速度，取值范围0.1-0.18；n为螺旋桨的转速；v_S为船体的航行速度；M为螺旋桨转矩；k_m为螺旋桨的扭矩系数；k_p为螺旋桨的推力系数；T为螺旋桨的推力；

步骤S12：推进电机的功率为：

式中：P为推进电机的功率；k_c为推进电机和桨扭矩的传送比；n_e为电机的转速；

步骤S13：桨船舶航行时运动方程为：

式中：k_r为船体航行的阻力系数；k_t为电机推力和螺旋桨推力的传送比；m为船舶的质量；

步骤S14：进行锂电池输出能量和船舶消耗能量估算：

ΔE₁＝UIt＝UQ_bat(1-SOC_t) (6)

式中，SOC为锂电池剩余电量；n_e为电机转速；U为锂电池的额定电压；Q_bat为锂电池总容量；t为到达目的地时间；

步骤S15：假设船舶航行过程中，电池输出的能量全部转化为船舶航行的能量，无其他能量消耗；即ΔE₁＝ΔE₂,联立得到：

步骤S16：锂电池的SOC_t与里程S建模,由(4)、(5)和(8)得到SOC_t和路程S之间的关系，即

式中，v₀为船航行的初始速度；s为船航行总里程；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：通过锂电池的老化公式(10)预测电池的循环寿命；通过SOC,Ic,θ,Ah,这四个数据进行预测容量损失，当电池组容量损失占总容量的20％时电池报废，电池组的循环寿命结束；

式中，I_c为电池放电倍率；Ah累计放电的电流量；Q_loss为电池组的损失容量；θ为电池内部温度；E_a为电池内部电势能；R_g为气体常数；α、β、η为模型参数；z为幂率指数；

步骤S22：根据预测的电池循环寿命获得老化严重因子σ_map，老化严重因子σ_map用以表征电池组容量衰减快慢；

步骤S23：采用两组磷酸铁锂电池作为电力存储装置，利用锂电池组的σ_map、n、

5个阈值判断两电池组的通断时序。

2.根据权利要求1所述的一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法，其特征在于：所述步骤S22具体包括以下步骤：

步骤S221：设定当电池组损失的容量为初始容量的20％时，即Q_loss＝20％电池组循环寿命结束；

20＝σ_funct(I_c,nom,θ_nom,SOC_nom)·Γ^z (11)

步骤S222：求最大电池组寿命г和当前电池组寿命γ，г即设定电池组生产商实验室测试循环寿命总放电时间为锂电池组最大寿命；γ即在船舶航行过程中电池组的总时间；

步骤S223：计算老化严重性因子σ_map，即最大电池寿命与当前电池组寿命的比值；

步骤S224：老化严重性因子σ_map主要由电流，SOC和温度影响，求每个影响因子对老化严重性因子σ_map的偏导数；

式中，

是soc对老化严重性因子σ_map的影响大小；

是I_c严重性因子σ_map的影响大小；

是θ对老化严重性因子σ_map的影响大小；SOC为电池剩余电量；SOC_t为锂电池t时刻剩余电量。

3.根据权利要求1所述的一种基于循环寿命的船用锂电池组能量管理方法，其特征在于：所述步骤S23具体包括以下步骤：

步骤S231：判断σ_map大小；老化严重因子的大小能直接反应当前锂电池使用的健康情况，当锂电池的温度、SOC和放电倍率使用情况逐渐变得不利于锂电池的寿命时候，选择切换锂电池组，让锂电池的老化速率在相对较低的情况下，最终延长锂电池的整体寿命；

当σ_map<3时,不切换电池组，直接继续航行；

当σ_map>＝3时，进行S232判断；

步骤S232：判断n的大小；将航行的里程分成两个部分进行控制，当里程剩下100米和航行中将进行不同的断控制策略；

当n<100时,进行S233判断；

当n>＝100时,进行S235判断；

步骤S233：进行SOC_t与20大小判断；当剩余里程在100以内，表明船舶开始停靠了，判断一下SOC_t是否到达SOC的下限；

当SOC_t<＝10时,进行S234判断；

当SOC_t>10时,不切换电池组，降低放电倍率，直接继续航行；

步骤S234：判断n的大小；当达SOC_t到下限的时候，若船已经开始靠岸，则不切换锂电池组，若是已经开始靠岸则SOC_t的消耗量不多，所以切换至第二组电池；

当n<10，不切换；

当n>＝10，切换至第二组锂电池组；

步骤S235：判断

的大小，对σ_map求关于温度θ的偏导数；当

时，表示锂电池温度过高，已经导致锂电池老化速度加快了；

当

进行S236判断；

当

切换至第二组锂电池组；

步骤S236：判断

的大小，对σ_map求关于I_c的偏导数，当

时，表示锂电池组的放电倍率过高，已经导致锂电池的老化速率增加了；

当

进行S237判断；

当

进行S238判断；

步骤S237：判断t与t_max的大小；若是船能在预定的最大到达时间内到达目的地，则降低锂电池的放电倍率，若不能在预定的最大到达时间内到达则切换电池组以当前速率继续前行；

当t<t_max，减小锂电池组输出电流大小，不切换；

当t>＝t_max，切换至第二组锂电池组；

步骤S238：判断

的大小；对σ_map求关于SOC_t的偏导数，当

时，表示锂电池组的剩余电量过低，已经导致锂电池的老化速率增加了；

当

时，进行S239判断；

当

时,进行S2312判断；

步骤S239：判断SOC_x与0.8*SOC₂的大小，若SOC_x<＝0.8*SOC₂时，表明第二组锂电池的SOC₂满足剩下里程所需要的SOC_x，直接切换至第二组锂电池；若SOC_x>0.8*SOC₂时，表明第二组锂电池的SOC₂不足以完成剩下航程；

其中，SOC_x为预测电池完成里程所需要的电池容量；SOC₁,SOC₂是实际船舶航行的锂电池组的剩余；

当SOC＜0.8*SOC₂，切换至第二组锂电池组；

当SOC＞＝0.8*SOC₂，进行S2310判断；

步骤S2310：判断j的大小；当第一组锂电池老化速率增加，第二组锂电池又无法完成剩下航程时；j＝0表示第一次出现这种情况，可以通过减小锂电池组输出电流，降低第一组锂电池的老化速率；当j>＝1时表明不止一次出现这种情况；

当j<1，j＝j+1，减小锂电池组输出电流大小，不切换；

当j>＝1，进行SS11判断；

步骤S2311：判断SOC1与0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)的大小；当不止一次出现第一组锂电池老化速率增加，第二组锂电池又无法完成剩下航程的情况时，进行估计剩余路程所需要的SOCx,平均分配给SOC1与SOC2；使第一组锂电池与第二组锂电池的放电深度一样；

当SOC1<＝0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)，切换至第二组锂电池组；

当SOC1>0.5*(SOC1+SOC2-SOCx)，返回步骤S231；

步骤S2312：判断i的大小；i表示累计次数,表示是否在船舶航行中的锂电池故障，当测得超过三次则需要进行锂电池组健康诊断；当温度，放电倍率和SOC的影响均未出现严重影响锂电池组的正常使用，则有两种可能性，第一种是三者都是达到范围内的值，导致严重因子σ_map整体上提高了，第二种是可能船舶在航行过程中，能量管理系统出现错误；两种情况统一进行判断，当能量管理出现三次这种情况则变换锂电池组；

当i<3时，i＝i+1,返回步骤S231；

当i>＝3，切换至第二组锂电池组，记录。

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